XIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2021

Основной высокого уровня жизни и эффективной экономики страны является рост производства энергоресурсов на душу населения и их рациональное потребление. Россия находится на 5 месте по потреблению энергоресурсов и находится на 18 месте по эффективности использования энергии среди стран со сходными климатическими условиями.

Под термином когенерация понимается энергосбережение на базе комбинированной, т.е. совместной, выработки электрической и тепловой энергии в одной установке.

Термодинамической основой когенерации служит полезное использование отработавшей в тепловом двигателе теплоты отводимой из теплосилового цикла.

В комбинированной выработке заключается основное отличие теплофикации от так называемого раздельного метода энергосбережения, при котором электрическая энергия вырабатывается на конденсационных тепловых электростанция (КЭС), а тепловая – в котельных.

Основной энергетический эффект когенерации заключается в замене теплоты, вырабатываемой при раздельной схеме энергоснабжения в котельных, отработавшей теплотой, отведенной из теплосилового цикла электростанции, благодаря чему на ТЭЦ ликвидируется бесполезный отвод теплоты в окружающую среду при превращении химической энергии топлива в электрическую энергию.

Развитие комбинированной выработки является одним из основных путей повышения тепловой экономичности энергетического производства в нашей стране.

Когенерация - это более эффективное использование топлива, потому что в противном случае, потраченное впустую тепло от выработки электроэнергии используется в какой-то мере продуктивно. Комбинированные теплоэлектростанции (ТЭЦ) восстанавливают в растраченную тепловую энергию для отопления. Это также называется комбинированным теплоэнергетическим централизованным теплоснабжением.

Экологические преимущества когенерации

Производство энергии — главный источник загрязнения.

Когенерация, используя первичное топливо в два-три раза эффективней традиционной энергетики, снижает выбросы загрязняющих веществ (оксида азота, двуокиси серы и летучих органических соединений) в 2-3 раза, в зависимости от конкретного случая.

В настоящее время, электростанции ответственны за 2/3 суммарных национальных выбросов двуокиси серы (SO2), 1/4 окиси азота (NОх), и 1/3 выбросов двуокиси углерода (СО2), основного парникового газа. Эмиссии способствуют усугублению серьезных экологических проблем, включая глобальное изменение климата, кислотные дожди, смог, загрязнение водных артерий и эутрофикации важнейших водоемов (процесса, при котором образуется переизбыток питательных веществ, что приводит к быстрому росту водных растений и подавлению других форм жизни, а также избыточному образованию ила).

Новые крупные электростанции наносят главный удар по экологии.

Станции когенерации малы и обычно расположены внутри существующих зданий и заводов. Кроме того, уровень выбросов КГУ на порядок ниже уровня крупных электростанций.

Системы когенерации могут быть особенно полезны в районах, где развитие ограничено вследствие экологических ограничений.

Системы отопления, вентиляции и кондиционирования часто не обеспечивают должного контроля за влажностью или удовлетворяет потребности здания с помощью наружного воздуха. В комбинации с осушителем, когенерационные системы обеспечивают лучший контроль за влажностью нежели стандартные системы и снижают потенциал роста плесени и числа бактерий. В комбинации с системой когенерации, абсорбционные холодильники могут уменьшать эмиссии парниковых газов.

Сравнение когенерации с раздельной выработкой тепловой и электрической энергии

Обычный (традиционный) способ получения электричества и тепла заключается в их раздельной генерации (электростанция и котельная). При этом значительная часть энергии первичного топлива не используется. Можно значительно уменьшить общее потребление топлива путем применения когенерации (совместного производства электроэнергии и тепла).

Когенерация есть термодинамическое производство двух или более форм полезной энергии из единственного первичного источника энергии.

Две наиболее используемые формы энергии - механическая и тепловая. Механическая энергия обычно используется для вращения электрогенератора. Вот почему именно следующее определение часто используется в литературе (несмотря на свою ограниченность).

Когенерация есть комбинированное производство электрической (или механической) и тепловой энергии из одного и того же первичного источника энергии.

Произведенная механическая энергия также может использоваться для поддержания работы вспомогательного оборудования, такого как компрессоры и насосы. Тепловая энергия может использоваться как для отопления, так и для охлаждения. Холод производится абсорбционным модулем, который может функционировать благодаря горячей воде, пару или горячим газам.

При эксплуатации традиционных (паровых) электростанций, в связи с технологическими особенностями процесса генерации энергии, большое количество выработанного тепла сбрасывается в атмосферу через конденсаторы пара, градирни и т.п. Большая часть этого тепла может быть утилизирована и использована для удовлетворения тепловых потребностей, это повышает эффективность с 30-50% для электростанции до 80-90% в системах когенерации.

Преимущества когенерации по сравнению с раздельной выработкой энергии:

Рост энергоэффективности

Снижение энергозатрат

Сокращение выбросов за счет уменьшения количества сжигаемого топлива

Разгрузка электрических сетей за счет децентрализованной выработки тока

Типы когенерационных установок

Наиболее распространенными являются следующие виды установок: газопоршневые, газотурбинные, паротурбинные.

Подробно рассмотрим каждую из них.

Паровая турбина - тепловой двигатель, в котором энергия пара преобразуется в механическую работу.

В лопаточном аппарате паровой турбины потенциальная энергия сжатого и нагретого водяного пара преобразуется в кинетическую, которая в свою очередь преобразуется в механическую работу — вращение вала турбины.

Теплофикационные паровые турбины служат для одновременного получения электрической и тепловой энергии. Тепловые электростанции, на которых установлены теплофикационные паровые турбины, называются теплоэлектроцентралями (ТЭЦ). К теплофикационным паровым турбинам относятся турбины с:

противодавлением;

регулируемым отбором пара;

отбором и противодавлением.

У турбин с противодавлением весь отработанный пар используется для технологических целей (варка, сушка, отопление). Электрическая мощность, развиваемая турбоагрегатом с такой паровой турбиной, зависит от потребности производства или отопительной системы в греющем паре и меняется вместе с ней. Поэтому турбоагрегат с противодавлением обычно работает параллельно с конденсационной турбиной или электросетью, которые покрывают возникающий дефицит в электроэнергии.

В турбинах с регулируемым отбором часть пара отводится из одной или двух промежуточных ступеней, а остальной пар идёт в конденсатор. Давление отбираемого пара поддерживается в заданных пределах системой регулирования (в советских турбинах для поддержания заданного давления чаще всего используется регулирующая диафрагма за камерой отбора — ряд направляющих лопаток, разрезанных по перпендикулярной оси турбины плоскости; одна половина лопаток поворачивается относительно другой, изменяя площадь сопел). Место отбора (ступень турбины) выбирают в зависимости от нужных параметров пара.

У турбин с отбором и противодавлением часть пара отводится из одной или двух промежуточных ступеней, а весь отработавший пар направляется из выпускного патрубка в отопительную систему или к сетевым подогревателям.

Преимущества и недостатки

Преимущества:

возможность использования различных видов топлив

доступность теплоносителя

высокий ресурс работы

быстроходность и способность развивать большие мощности

высокая эффективность

компактность, относительно газовых турбин

Недостатки:

Инертность установки

Высокие требования к условиям эксплуатации и уровню

обслуживания

Относительно малая доля производимой электрической энергии в

сравнении с тепловой энергией

КПД различных типов турбин отличаются при работе с паром различного давления.

Газотурбинная установка (ГТУ) - энергетическая установка: конструктивно объединённая совокупность газовой турбины, электрического генератора, газовоздушного тракта, системы управления и вспомогательных устройств: пусковое устройство, компрессор, теплообменный аппарат или котёл-утилизатор для подогрева сетевой воды для промышленного снабжения.
Выходящие из турбины отработанные газы используются в зависимости от потребностей.

Газотурбинная установка состоит из 2-х основных частей: силовая турбина и генератор, которые размещаются в одном корпусе.

Поток газа высокой температуры воздействует на лопатки силовой турбины (создает крутящий момент).

Использование тепла посредством теплообменника или котла-утилизатора обеспечивает увеличение общего КПД установки.
ГТУ может работать как на жидком, так и на газообразном топливе в обычном рабочем режиме - на газе, а в резервном (аварийном) - автоматически переключается на дизельное топливо.

Наибольший КПД достигается при работе в режиме когенерации (одновременная выработка тепловой и электрической энергии) или тригенерации (одновременная выработка тепловой, электрической энергии и энергии холода).

Электрический КПД современных газотурбинных установок составляет 33-39%. С учетом высокой температуры выхлопных газов в мощных ГТУ комбинированное использование газовых и паровых турбин позволяет повысить эффективность использования топлива и увеличивает электрический КПД установок до 57-59%.

Области применения газотурбинных установок практически не ограничены: нефтегазодобывающая промышленность, промышленные предприятия, муниципальные образования. Блочно-модульное исполнение ГТУ обеспечивает высокий уровень заводской готовности газотурбинных электростанций. Возможность получения недорогой тепловой и электрической энергии предполагает быструю окупаемость поставленной газотурбинной установки.

Степень автоматизации газотурбинной электростанции позволяет отказаться от постоянного присутствия обслуживающего персонала в блоке управления. Контроль работы станции может осуществляться с главного щита управления, дистанционно.

Преимущества и недостатки

Преимущества:

Простота устройства, относительно паровой турбины

Минимальный расход воды

Быстрый ввод в работу

Газотурбинная установка проще по устройству, чем паровая из-за отсутствия котельной установки, сложной системы паропроводов, конденсатора, а также большого числа вспомогательных механизмов, применяющихся в паровых установках.
Недостатки:

Необходимость высокой температуры газа перед турбиной (>550)

Относительно невысокая полезная мощность

Ограниченность в выборе топлива

Большие габариты

Повышенная шумность

Для того, чтобы установка давала полезную мощность, начальная температура газа перед турбиной должна быть больше 550 °С, т.е., весьма высокой. Это вызывает определенные трудности при практическом выполнении газовых турбин, требуя, как специальных весьма жаростойких материалов, так и специальных систем охлаждения наиболее высокотемпературных частей.
На привод компрессора расходуется до 50 – 70 % мощности, развиваемой турбиной. Поэтому полезная мощность газотурбинной установки гораздо меньше фактической мощности газовой турбины.
В газотурбинных установках исключено применение твердого топлива по обычной схеме. Наилучшие виды топлива для ГТУ – природный газ и качественное жидкое (керосин). Мазут же требует специальной подготовки для удаления шлакообразующих примесей.
Единичная мощность газотурбинной установки ограничена. Это обусловлено большими габаритными размерами установки из-за невысокого начального давления газа перед турбиной – до 25 кгс/см2 и его гораздо меньшей работоспособности по сравнению с водяным паром.
Очень большая шумность при работе, значительно превышающая ту, что имеет место при эксплуатации паротурбинных установок.

Газопоршневая установка — это система генерации, созданная на основе поршневого двигателя внутреннего сгорания, работающего на природном или другом горючем газе. Возможно получение тепла и электричества когенерацией. В случае если в газопоршневых электростанциях используется технология, позволяющая получать ещё и холод (очень актуально для вентиляции, холодоснабжения складов, промышленного охлаждения), то данная технология будет называться «тригенерация».

ГПУ представляет собой ДВС с внешним смесеобразованием и искровым зажиганием горючей смеси в камере сгорания, использующий в качестве топлива газ и работающий по циклу Отто. Энергия, выделившаяся при сгорании топлива, в газовом двигателе производит механическую работу на валу, которая используется для выработки электроэнергии генератором электрического тока. Газовые двигатели используются для работы в составе генераторных установок, предназначенных для постоянной и периодической работы (пиковые нагрузки) с комбинированной выработкой электроэнергии и тепла, а также в качестве аварийных источников энергии. Кроме того, они могут работать как в составе холодильных установок, так и для привода насосов и газовых компрессоров.

По сравнению с микротурбинами у ГПУ высокие показатели КПД, отсутствие влияние на КПД температуры окружающего воздуха, меньшее потребление газа по сравнению с микротурбинами, соответственно меньше выхлопа в окружающую среду. Одним из недостатков, является наличие большого количества вредных веществ в выхлопе, что требует применения катализаторов. Вредные вещества в выхлопе появляются из-за сгорания моторного масла, примерно 0,2 грамма на выработку 1 киловатт-часа электроэнергии. Для снижения воздействия на окружающую среду электростанциям требуются дымовые трубы.

ГПД могут работать как на сжиженном, так и на сжатом газе. Это позволяет использовать газовые двигатели не только при подключении к газовой магистрали. При небольшой мощности ~ 1 кВт, достаточно подключить баллон со сжиженным газом через газовый редуктор.

Практика использования подобных установок на крупных предприятиях (котельных, ТЭС или ТЭЦ), где расходы уходящих газов и отработанного масла критично возрастают, возникает большая перспектива использования отработанного теплового потенциала повторно. Так, например, тепло уходящих газов может быть повторно использовано в котлах-утилизаторах для генерации пара или подогрева воды на технологические нужды различных процессов, а также отходить на абсорбционные установки для генерации холода; тепловая энергия от масла и воды с охладительной рубашки ДВС может быть направлена на производство ГВС или на нужды централизованного теплоснабжения.

Тригенерация

Тригенерация это процесс совместной выработки электричества, тепла и холода.

Тригенерация является более выгодной по сравнению с когенерацией, поскольку даёт возможность эффективно использовать утилизированное тепло не только зимой для отопления, но и летом для кондиционирования помещений или для технологических нужд.

Cистемы когенерации в сочетании с холодильными агрегатами абсорбционного типа являются удачным выходом в ситуации, когда необходимо обеспечить регенерацию и преобразование избыточного тепла в холодильную энергию.

В бытовой сфере тепло, производимое комбинированной энергосистемой, предназначается, главным образом, для отопления помещений, и, как правило, период реальной потребности в тепле ограничивается зимними месяцами, например, в странах с умеренным климатом. В то же время, существует значительная потребность в холодоснабжении для кондиционирования тех же помещений в летний период. Именно в этих случаях, имея комбинированную энергосистему, регенерированное тепло можно использовать для производства холодильной энергии или охлаждающей воды для системы кондиционирования или промышленных процессов.

Таким образом, когенерационные установки повышают эффективность для предприятия потребителя в части его системы энергоснабжения. Основной экономический эффект при использовании когенерационной установки заключается в получении попутных условно бесплатных энергетических ресурсов (тепло, холод) без дополнительных затрат на топливо. Этот эффект приводит к заметному снижению себестоимости выработки электроэнергии по отношению к режиму раздельной генерации (выработка тепловой и электрической энергии отдеьно), когда все затраты распределяются только на один ресурс. В результате когенерации потребитель получает все вырабатываемые ресурсы значительно дешевле, чем от централизованных сетей.

Список литературы:

1. Газопоршневые установки и электростанции, МАН Дизель и Турбо: «Передовые технологии, стабильные преимущества», М.: ООО «МАН Дизель и Турбо Рус».

2. Соколов, Е.А. Теплофикация и тепловые сети: Учебник для вузов - 7-е изд., стереот, -М.: Издательство МЭИ, 2001- 472 с.

3. Когенерация.Ру [Электронный ресурс]. – Режим доступа:

http://www.cogeneration.ru.

4. Линде. И. В.  Паровые турбины, вентиляторы и центробежные насосы высокого давления системы инженера А. Рато. // Записки Московскаго отделения Императорского русского технического общества, 1904. С. 563—641.

Код для цитирования: Скопировать